JP2004031809A

JP2004031809A - フォトマスク及び半導体薄膜の結晶化方法

Info

Publication number: JP2004031809A
Application number: JP2002188383A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Yotsumoto; 四　元　茂　之
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】結晶粒の粒径が大きくて高品質の多結晶材料を形成可能なフォトマスクを提供する。
【解決手段】本発明に係るフォトマスクは、矩形状の第１スリット１が複数ずつ形成された複数の第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃと、矩形状の第２スリット３が複数形成された第２マスク部４とを備えている。第１スリット１が形成された第１マスク部２を用いてポリシリコンの結晶粒を大きくする処理を行った後、この処理で形成された突起部２０の高さを、第２スリット３が形成された第２マスク部４を用いて低くするため、半導体薄膜２１の表面を平坦化することができ、電気的特性の優れたポリシリコンＴＦＴを形成することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜の形成に用いられるフォトマスクに関し、特に、非晶質材料を多結晶材料に変質させるためにレーザー光を照射させるフォトマスク及び半導体薄膜の結晶化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示素子（以下、ＬＣＤと記す）は、パーソナルコンピュータ、プロジェクタ、小型テレビ及び携帯情報端末などに広く利用されている。現在のＬＣＤは、画素ごとに半導体素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けたアクティブマトリクス型ＬＣＤが主流となっている。
【０００３】
従来から、アクティブマトリクス型ＬＣＤ用のＴＦＴをガラス基板上に形成する場合、半導体材料としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を採用するのが一般的であり、現在でも広く用いられている。
【０００４】
近年では、ａ−Ｓｉよりも移動度が大きいポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）を半導体材料とするアクティブマトリクス基板が実用化されている。半導体材料としてｐ−Ｓｉを採用することにより、画像を表示するための駆動回路の一部をアクティブマトリクス基板上に形成できるようになり、従来セルパネルに外付けしていた部品が不要となって、製造コスト削減と狭額縁化が可能となる。
【０００５】
しかしながら、現在実用化されているｐ−Ｓｉを半導体材料とするアクティブマトリクス基板に搭載可能な駆動回路が限られており、その他の回路は依然としてセルパネルに外付けされている。より多くの駆動回路をアクティブマトリクス基板上に作り込むことにより、さらなるコスト削減と高機能化が可能となるが、そのためには半導体であるｐ−Ｓｉの移動度をさらに高くする必要がある。ｐ−Ｓｉの移動度を向上させるためには、ｐ−Ｓｉの結晶粒の大粒径化と、結晶性の向上が不可欠である。
【０００６】
ｐ−Ｓｉの大粒径化を実現する方法としては、例えば特願２００２−３１９０８号に記載されている方法がある。この方法では、繰り返しパターンをもつ領域を複数設けたマスクを介してレーザ光をａ−Ｓｉ薄膜上に照射し、かつ基板を載せたステージを等速で走査することにより、基板上のａ−Ｓｉ薄膜を高速に結晶化してｐ−Ｓｉ薄膜を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法により結晶化したｐ−Ｓｉ薄膜には、マスクのパターンに依存して周期的な粒界が形成される。粒界部には、他の部分に比べて隆起したような突起が形成される。この突起は、パターン開口部の周辺部から中央部へ向かって、すなわち薄膜の低温部から高温部に向かって結晶が成長する際、パターン開口部の中央で結晶粒同士がぶつかり合うことにより生じる。ＴＦＴ素子のチャネル部にこのような粒界が存在するとＴＦＴ素子の性能の一つである移動度が低下する要因となり、また突起によって半導体と絶縁膜の界面に問題を生じて移動度が低下したり、絶縁膜におけるリーク電流増加の原因ともなる。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、結晶粒の粒径が大きくて高品質の多結晶材料を形成可能なフォトマスク及び半導体薄膜の結晶化方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、レーザー光源からのレーザー光を通過させて、半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させるフォトマスクにおいて、前記多結晶材料の結晶粒のサイズを拡大するための少なくとも一つの第１領域と、前記多結晶材料の表面形態を平坦化するための少なくとも一つの第２領域と、を備える。
【００１０】
本発明では、半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させるためのフォトマスクに第１及び第２領域を設けるため、多結晶材料の結晶粒のサイズを大きくしつつ、多結晶材料の表面形態を平坦化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォトマスク及び半導体薄膜の結晶化方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１２】
図１は本発明に係るフォトマスクの一例を示す外形図である。図１のフォトマスクは、矩形状の第１スリット１が複数（例えば、９つ）ずつ形成された複数の第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃと、矩形状の第２スリット３が複数（例えば、３つ）形成された第２マスク部４とを備えている。
【００１３】
第１スリット１は、半導体薄膜中の多結晶材料の結晶粒のサイズを拡大するためのものであり、第２スリット３は、多結晶材料の表面形態を平坦化するためのものである。
【００１４】
第１スリット１の長手方向サイズは、第２スリット３の長手方向サイズと略等しく、第１スリット１の短手方向サイズは、第２スリット３の短手方向サイズよりも大きい。
【００１５】
第２スリット３の総数は、すべての第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃの第１スリット１の総数に等しい。
【００１６】
図２は従来のマスクの外形図である。従来のマスクは、図１と同様の第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃを有するが、第２マスク部４は持たない。
【００１７】
図３は図１のマスクを有する結晶化装置の概略構成を示すブロック図である。図３の結晶化装置は、２次元（ＸＹ）方向に移動可能なステージ１１と、ステージ１１に真空吸着されるガラス基板１２と、ステージ１１の移動を制御するステージ移動制御部１３と、エキシマレーザー光を放射するレーザー光源１４と、エキシマレーザー光を屈折させる屈折光学系１５と、図１のマスク１６と、マスク１６の第１及び第２スリット１，３を通過したレーザー光を集光させるレンズ１７と、レンズ１７の焦点調節を行う焦点調節部１８とを備えている。
【００１８】
ステージ１１は、ガラス基板１２を図３のＸ方向に第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃの距離分だけ順に移動させる。ステージ１１がガラス基板１２を移動させるたびに、ガラス基板１２にレーザー光が照射される。例えば、図１のように、３つの第１マスク部２ａ，２ｂ，２ｃが設けられている場合、まず最初に第１マスク部２ａを通過したレーザー光がガラス基板１２に照射される。この場合、ガラス基板１２には、図４（ａ）の斜線部ｈ１で示す領域にレーザー光が照射される。
【００１９】
次に、第１マスク部２の距離だけガラス基板１２が移動された後、第１マスク部２を通過したレーザー光がガラス基板１２に照射される。この場合、ガラス基板１２には、図４（ｂ）の斜線部ｈ２で示す領域にレーザー光が照射される。
【００２０】
次に、第１マスク部２の距離だけガラス基板１２が移動された後、第１マスク部２を通過したレーザー光がガラス基板１２に照射される。この場合、ガラス基板１２には、図４（ｃ）の斜線部ｈ３で示す領域にレーザー光が照射される。
【００２１】
図５はレーザー光の照射範囲をより詳しく示した図である。まず、１ショット目は、図５（ａ）の斜線部で示す範囲にレーザー光が照射される。次に、２ショット目は図５（ｂ）の斜線部で示す範囲にレーザー光が照射され、３ショット目は図５（ｃ）の斜線部で示す範囲にレーザー光が照射され、４ショット目は図５（ｄ）の斜線部で示す範囲にレーザー光が照射される。第２マスク部４があるために、ショット数が多くなるにつれて、狭い幅でレーザー光が照射される範囲が次第に広がる。
【００２２】
これに対して、図６は従来のレーザー光の照射範囲を示した図である。図６に示すように、レーザー光の照射幅は常に一定である。
【００２３】
図７は図４（ｃ）のＡ−Ａ線断面図である。図示のように、３回に分けてレーザー光を照射すると、レーザー光の照射エリアの中央付近に突起部が形成される。
【００２４】
以下、突起部が形成される理由を説明する。マスク１６を使ってレーザー光を照射すると、マスク１６のスリットのエッジに形成される固液界面から結晶成長が開始され、レーザー光による熱の拡散方向とは反対側であるスリットの中央に向かって結晶粒が成長していく。スリットのエッジからスリットの中央に向かって成長した結晶粒は、スリットの中央付近で互いに衝突することにより結晶成長が停止する。このとき、結晶粒界がスリットの中央付近に発生するとともに、突起部も形成される。
【００２５】
本実施形態では、複数の第１マスク部２でのレーザー光照射が終了した後に、第２マスク部４によるレーザー光照射を行う。第２マスク部４の第２スリット３は、第１スリット１よりもスリットの幅が狭く、かつ投影レンズ１７の分解能よりも幅が狭い。このため、第２スリット３を通過するレーザー光の強度は、第１スリット１を通過するレーザー光の強度よりも弱くなり、半導体薄膜を完全には溶融しない程度の強度である。
【００２６】
第２スリット３は、図７の突起部２０の周辺にレーザー光を照射可能な位置に配置されてレーザー光照射を行う。これにより、突起部２０の周辺のみが溶融されて再結晶化される。この場合の結晶成長は、横方向成長ではないため、図８に示すように、突起部２０の高さが低くなり、半導体薄膜２１の表面が平坦になる。
【００２７】
このように、本実施形態では、第１スリット１が形成された第１マスク部２を用いてポリシリコンの結晶粒を大きくする処理を行った後、この処理で形成された突起部２０の高さを、第２スリット３が形成された第２マスク部４を用いて低くするため、半導体薄膜２１の表面を平坦化することができ、電気的特性の優れたポリシリコンＴＦＴを形成することができる。
【００２８】
上述した実施形態では、マスク１６に形成するスリットの幅を狭くしてレーザー光の強度を弱くしているが、これ以外の手法によりレーザー光の強度を弱くしてもよい。例えば、スリットを形成する代わりに、マスク１６の材料を変更することによりレーザー光の強度を弱くしてもよい。通常のマスク１６は、基板上にクロムが蒸着されており、クロムによりレーザー光が遮光される。逆に、クロムが蒸着されていない部分はレーザー光を透過する。よって、クロムを通常の遮光部よりも薄く蒸着することにより、レーザー光を弱く透過することができる。このため、上述した第２マスク部４については、レーザー光を透過させるべき部分にクロムを薄く蒸着すればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させるためのフォトマスクに第１及び第２領域を設けるため、多結晶材料の結晶粒のサイズを大きくしつつ、多結晶材料の表面形態を平坦化することができる。したがって、多結晶材料中に形成されるトランジスタの電気的特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るフォトマスクの一例を示す外形図。
【図２】従来のマスクの外形図。
【図３】図１のマスクを有する結晶化装置の概略構成を示すブロック図。
【図４】レーザー光の照射領域を説明する図。
【図５】レーザー光の照射範囲をより詳しく示した図。
【図６】従来のレーザー光の照射範囲を示した図。
【図７】図４（ｃ）のＡ−Ａ線断面図。
【図８】レーザー光照射後のＡ−Ａ線断面図。
【符号の説明】
１　第１スリット
２ａ，２ｂ，２ｃ　第１マスク部
３　第２スリット
４　第２マスク部

Claims

レーザー光源からのレーザー光を通過させて、半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させるフォトマスクにおいて、
前記多結晶材料の結晶粒のサイズを拡大するための少なくとも一つの第１領域と、
前記多結晶材料の表面形態を平坦化するための少なくとも一つの第２領域と、を備えることを特徴とするフォトマスク。
前記第２領域は、前記第１領域よりもレーザー光の強度を弱くすることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
前記第１領域のそれぞれは、所定の間隔を隔てて少なくとも一列に配置され、前記第２領域のそれぞれは、所定の間隔を隔てて少なくとも一列に配置され、前記第１領域の列は、前記第２領域の列と所定の間隔を隔てて配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のフォトマスク。
前記第１領域の総数は、前記第２領域の総数に等しいことを特徴とする請求項１及至３のいずれかに記載のフォトマスク。
それぞれ同数の前記第１領域からなる複数のグループが形成され、これら複数のグループは、前記半導体薄膜上のそれぞれ異なる領域に対して、同一パルスのレーザー光によって一括して照射するために用いられることを特徴とする請求項１及至４のいずれかに記載のフォトマスク。
前記第１領域の長手方向サイズは、前記第２領域の長手方向サイズに略等しく、
前記第１領域の短手方向サイズは、前記第２領域の短手方向サイズより大きいことを特徴とする請求項１及至５のいずれかに記載のフォトマスク。
半導体薄膜中の多結晶材料の結晶粒のサイズを拡大するための少なくとも一つの第１領域と、前記多結晶材料の表面形態を平坦化するための少なくとも一つの第２領域と、を備えるフォトマスクを用いた半導体薄膜の結晶化方法であって、前記第１領域を通過したレーザー光源からのレーザー光を前記半導体薄膜に照射して、前記半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させ、前記第２領域を通過したレーザー光源からのレーザー光を前記半導体薄膜に照射して、前記半導体薄膜中の非晶質材料を多結晶材料に変質させる際に形成された突起部の高さを低くするステップと、を備える半導体薄膜の結晶化方法。